【C++深学日志】从0开始的C++生活

对于许多初学者而言，C++的复杂性或许会让人望而却步，但请相信，只要掌握了正确的方法，入门并精通它并非难事，学习C++就像是学习与计算机进行高效对话，它不仅能帮助你理解底层的计算机原理，更能为你打开一扇通往高性能软件开发的大门。为了系统地记录和分享我的C++学习历程、实践心得以及对现代C++新特性的探索，我决定开始创作这个C++专栏​，专栏将遵循技术写作的一些最佳实践，力求清晰易懂。那么和我一起开始C++学习之旅吧！​

1.C++的发展历程

正所谓吃水不忘挖井人，学习一门语言，我们要先了解它的发展历程，它不仅是一部技术演进史，更反映了软件工程理念的变迁。

第一阶段：前标准阶段（1979-1998）

1. 1979年：Bjarne Stroustrup在贝尔实验室开始工作，为了分析UNIX内核的分布式系统，他认为需要一种既像C语言一样高效，能直接操作于硬件，又支持像Simula那样面向对象编程（OOP）的语言，于是他在C语言基础上创建了"C with Classes"。
2. 1983年：语言正式更名为C++，名称中的"++"是C语言中的自增运算符，象征着在C语言的基础上的超越和进化，这一时期增加了很多的关键特性。
3. 1985年：Bjarne出版了经典著作《The C++ Programing Language》第一版，同年，C++的第一个商业版发布。
4. 1989年：C++ Release2.0发布，引入了多重继承和抽象类等特性。
5. 1990年：《The Annotated C++ Reference Manual》(ARM)出版，成为事实上的标准，为后来的标准化工作奠定了基础，模板和异常处理等特性在此阶段加入。
6. 1998年：第一个国际标准C++98发布，标志着C++正式成为一门成熟稳定的标准化语言。

第二阶段：经典C++时代（1998-2011）

这是C++普及和称为主流的黄金时期，但也暴露一些问题：

1. C++98：第一个官方标准，它标准化了早在多年前就已经存在的特性：标准模板库（STL）等。
2. C++03：于2003年发布的C++03，主要是一个修复版本修正了C++98标准中的许多缺陷和歧义没有引入新的特性。

这个时代的挑战：虽然强大，但C++也因为复杂，容易误用（特别是手动内存管理）、编译慢、以及某些特性（如元编程）晦涩难懂而受到批评，同时java等新语言的崛起给C++带来了巨大的压力。（所以啊，万事开头难）

第三阶段：现代C++时代（2011-2020）

1. C++11：2011年发布的C++11时代圣伊莱最重要的一次更新，带来了大量的革命性的特征，几乎改写了人们编写C++的方式，像是在这时登场的：自动类推导、智能指针、范围for、初始化列表。
2. C++14：2014年发布的C++14是C++11的增量更新，主要目标是完善和优化C++11引入的特性。
3. C++17：2017年发布的C++17，带了许多实用的新特性和标准库组件：结构化绑定、类模板参数推导等。

第四阶段：当代C++新时代（2020年至今）

1. C++20：C++20的重要性不亚于C++11：概念（彻底改变模板编程，让模板错误信息更清楚，接口约束更明确）、模块（取代传统的头文件，旨在解决编程速度慢和宏污染等难问题）、协程（为异步编程提供了原生支持，是编写异步代码的强大工具）等。
2. C++：C++23是对C++20的补充和完善。

给大家分享一下官方文档：

C++ reference - cppreference.com

由于循环、数组等都是老生常谈的问题了，所以本文讲解将忽略这些相关内容，从C++基础开始讲解，感谢您的理解！

2.C++的第一个程序

标准流程还是要走一下滴，C++兼容C语言绝大多数的语法，所以C语言实现的方法还是可行的，当然C++有一套自己的输入输出格式，严格来说C++实现"hello world"是这样写的：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
  cout<<"hello world"<<endl;
  return 0;
}

现在看不懂无妨，我们一会会讲到的。

3.命名空间

在我们书写C语言项目时，当多个库或者模块凑在一起，那些突如其来的重复定义、符号冲突等错误，就像一场没有规则的命名大战，然开发者头痛不已，C++中的命名空间（namespace）正是为了解决这种"命名污染"而生的强大工具。使用命名空间的目的是对标识符的名称本地化，以避免命名冲突，namespace关键字的出现就是针对这种问题。

在C语言中所有的全局变量、函数都共用一个作用域，当项目规模扩大，或引入多个第三方库时，就极易发生命名冲突，举个例子：假如你要编写一个计算随机数的函数rand()，同时引入了<stdlib.h>头文件：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int rand=10;
int main()
{
  printf("%d\n",rand);
  return 0;
}

我们会遇到这样的报错，因为<stdlib.h>头文件中存在的rand()函数和你定义的全局变量rand名称相同，发生冲突编译器无法分辨，C语言常用的解决方案就是：**加个前缀（例如：my_rand）。**这样书写比较繁琐。

3.1命名空间的基本概念

C++引入命名空间的概念，允许开发者可以将代码逻辑的分组，形成独立的作用域，从而避免命名冲突。命名空间通过关键字namespace定义，其内部的标识符不会和外面的发生冲突：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
namespace test
{
  int rand=10;
}
int main()
{
  printf("%d\n",test::rand);
  return 0;
}

我们可以看到，当我们使用了命名空间就避免了命名冲突的问题。大家也看到了我在打印的时候写了test::rand，这是什么意思呢？这就是接下来要讲的访问命名空间内成员的方法：

1.作用域解析运算符（::）（最明确可靠）

这就是我刚刚在打印那里使用的访问方法，作用域解析运算符（::）的含义是：**编译器应从操作符左侧名字所示的作用域中寻找右侧那个名字。**其书写形式为：

#include<iostream>
namespace test
{
  int a=10;//属于test这个命名空间的变量a
}
using namespace std;
int main()
{
   cout<<test::a<<endl;
   return 0;
}

2.使用using namespace引入整个命名空间

大家也发现了吧，在打印C++第一个程序和上面那种访问访问方法的书写格式中，我都使用了using namespace std这段代码，有了using声明的形式就无需专门的前缀（作用域解析运算符::）也可以直接使用所需要的名字了，using声明的形式如下：

using namespace test;//直接引用test整个命名空间

3.使用using引入特定的成员(局部展开)

举个简单的例子：像是大家在网上观摩别的创作者的作品时，有的人写的打印是这样的：

#include<iostream>
using test::rand;
int main()
{
  std::cout<<rand<<std::endl;//此时的rand就相当于test::rand
  return 0;
}

这种访问方法是命名空间的局部成员引入进来，不需要将整个命名空间展开。

总结：定义命名空间时，要使用namespace关键字，后面跟命名空间的名字，然后接一对{}即可，{}中的就是命名空间的成员，可以是函数、变量等。namespace本质是定义了一个作用域，这个域独立于全局域，不同域的可以定域相同的变量名。

注意：位于头文件的代码一般来说不应该用using声明，这是因为头文件的内容会被拷贝到所有引用他的文件中去，如果头文件里面有某个using声明，那么每个使用了该头文件的文件都会有这个声明。对于某些程序来说，由于不经意的包含了一些名字，可能会产生始料未及的命名冲突。

3.2命名空间的使用案例

说了这么多，我们再来探探它的使用吧。namespace只能被定义在全局，当然还可以被嵌套定义：

#include<iostream>
namespacr Class
{
  namespace studentA
   {
     
   }
}

在工作中或者在学校和同学合作一个项目时，通常会这样使用，每一个项目分给一个小组，小组中每个人再进行分配工作，难免会产生命名冲突，这样能更好地解决这个问题。注意：项目工程中相同名称的命名空间会被编译器自动合并，不会发生冲突。

4.C++的输入和输出

C++语言并未定义任何的输入输出（IO）语句，取而代之，包含了一个全面的标准库(standard library)来提供IO机制（还有很多其他的功能）。前面我们using namespace std中的std就是这个标准库的缩写。iostream标准库包含两个基础类型istream 和**ostream，**分别表示输入流和输出流。

标准库定义了4个IO对象，为了处理输入，我们使用了一个名为cin的istream类型的对象，这个对象也被称为标准输入，用于从控制台读取数据，它使用流提取运算符>>，>>会跳过空白字符（空格、制表符、换行符），且当输入类型不匹配时会导致流进入错误状态，我们看下面这个简单的例子来了解一下流输入：

#include <iostream>
int main() {
    int age;
    std::cout << "Enter your age: ";
    std::cin >> age;
    std::cout << "Your age is: " << age << std::endl;
    return 0;
}

对于输出，我们使用一个名为cout的ostream类型的对象，这个对象也被称为流输出，用于向控制台输出数据。它使用流插入运算符<<，我们来看一下它的使用方法吧：

#include <iostream>
int main() {
    int number = 42;
    std::cout << "The number is: " << number << std::endl; // endl 换行并刷新缓冲区
    return 0;
}

标准库还定义了其他两个ostream对象，名为cerr和clog。cerr主要用于输出错误信息。它不被缓冲，信息会立即显示，确保错误提示及时输出，大家看下面这个格式做个了解就可以：

#include <iostream>
int main() {
    if (some_error_condition) {
        std::cerr << "An immediate error occurred!" << std::endl;
    }
    return 0;
}

clog用于输出日志信息。它是缓冲的，效率可能更高，适合记录日志，这个也是做个了解即可：

#include <iostream>
int main() {
    std::clog << "This is a log message." << std::endl;
    return 0;
}